钢材的性能及技术要求培训讲义

8建筑钢材

本章概述了钢材的冶炼、加工及分类方法。重点介绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准或规范对钢材的性能及技术要求。阐述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性能和用途。论述了钢结构和钢筋混凝土结构采用的主要钢材品种及特点、如何正确地选材、合理地用材及钢材的锈蚀成因及防护方法。本章提要本章内容8.1

钢的冶炼和分类8.2钢材的主要性能8.3

建筑钢材的技术标准及选用8.1钢的冶炼和分类

钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。

钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。8.1.1钢的冶炼根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。(1)平炉炼钢它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。

(2)氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20~40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。(3)电炉炼钢以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。(1)沸腾钢是脱氧不完全的钢。(2)镇静钢是脱氧充分的钢。(3)半镇静钢其脱氧程度和质量介于上述两者之间。

建筑钢材是将钢坯加热后经轧制而成的。8.1.2钢的分类8.2钢材的主要性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力(σ)-应变(ε)关系图(图8.1)可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。

(1)弹性阶段(O—A)

(2)屈服阶段(A—B)

(3)强化阶段(B—C)

(4)颈缩阶段(C—D)8.2.1抗拉性能(1)弹性阶段(O—A)在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=σ/ε=tanα。(2)屈服阶段(A—B)当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限σs。(3)强化阶段(B—C)当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力。(4)颈缩阶段(C—D)当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：图8.1低碳钢受拉的应力-应变图

冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图8.2)。影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。8.2.2冲击韧性图8.2冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机1—摆锤；2—试件；3—试验台；4—刻度盘；5—指针

钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。8.2.3疲劳强度

硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。

布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。如图8.3。8.2.4硬度图8.3布氏筐硬度宋测定鸣示意济图冷弯床性能是指钢寸材在常膊温下承已受弯曲鲜变形的伍能力，乱是建筑晨钢材的课重要工专艺性能评。钢材袖的冷裙弯性耀能指廉标是同用弯阁曲角漆度和扁弯心恐直径鞭对试疼件厚穴度(直径)的比雅值来垂衡量透的。戴试验盏时采叔用的须弯曲欠角度芒愈大遥，弯闪心直涨径对侨试件齿厚度(直径)的比冠值愈幻玉小，乱表示割对冷呜弯性臂能的只要求太愈高症。如图8.4所示钢材的加冷弯性萝能和伸米长率都右是塑性国变形能伞力的反融映。8.寄2.捕5冷弯性铺能图8.4钢材冷织弯(a)试样毫安装浅；(b)弯曲90恒°；(c肆)弯曲180伙°；(d江)弯曲欢至两谣面重他合；(e)规定域弯心钢材经途冷加工黑产生一密定塑性卖变形后闯，其屈赖服强度汤、硬度那提高，暂而塑性残、韧性振及弹性检模量降啊低，这春种现象驼称为冷加比工强封化。钢材的磨冷加工骄方式有冷拉、顶冷拔和富冷轧。以钢镜筋的著冷拉贵为例(图8.课5)，图中OBC握D为未经响冷拉时井的应力-应变奏曲线留。8.2市.6钢材的鞋冷加工8.2较.6.松1钢材的培冷加工军及时效图8.5钢筋经适冷拉时来效后应道力-应变图京的变化钢筋倦冷拉穷后屈轨服强壤度可泊提高15既%~咽20涂%，冷拔段后屈服琴强度可全提高40泪%~志60陪%。冷拔是士将外形新为光圆滨的盘条泉钢筋从井硬质合茂金拔丝凡模孔中姿强行拉吴拔(如图8.焰6)，由于乞模孔直纱径小于蔽钢筋直醉径，钢烧筋在拔叠制过程倾中既受勾拉力又膨受挤压颤力，使低强度大仓幅度提肺高但塑咳性显著持降低。毁8.遭2.食6.昨2冷加工扎在工程挎中的应透用图8.富6冷拔彩模孔(1遭)碳是决旱定钢材哭性能的舅主要元走素。如图8.堆7所示，随材着含连碳量奔的增阳加，悄钢的姜强度荣和硬淡度提条高，劳塑性匆和韧崭性下淹降。裂但当筋含碳佳量大结于1.潜0%时，由扁于钢材羡变脆，撇强度反市而下降活。(2鱼)硅、锰加入探硅和辅锰可蜓以与肌钢中恩有害尾成分FeO和Fe贯S分别歼形成Si堵O2、Mn子O和MnS而进入筹钢渣排鞋出，起锐到脱氧妨、降硫养的作用隶。8.2伸.7钢的化粱学成分议对钢材衫性能的械影响(3)硫、磷硫不溶革于铁而帽以FeS的形式陷存在，FeS和Fe形成低窄熔点的勇共晶体愧。当钢崖材温度膏升至100幻玉0℃以上进泳行热加绪工时，桐共晶体拳熔化，咳晶粒分涂离，使垄钢材沿限晶界破朱裂，这砌种现象伍叫做热脆性。磷能使愉钢的强仔度、硬汇度提高牵，但显案著降低仙钢材的居塑性和斥韧性，啦特别是杠低温状袭态的冲宜击韧性来下降更吊为明显莲，使钢晕材容易添脆裂，姻这种现径象叫做冷脆流性。(4)氧、顽氮未除尽梢的氧、严氮大部爸分以化尽合物的映形式存疯在，如Fe睛O、Fe住4N等。恳这些覆非金岔属化火合物震、夹咸杂物驾降低谷了钢充材的借强度础、冷忠弯性鼓能和男焊接填性能芒。氧开还使雅钢的糕热脆站性增迎加，需氮使款冷脆麦性及枕时效追敏感烫性增赞加。(5)钛、留钒、责铌是钢赤的强谊脱氧洁剂和辉合金迟元素版。能志改善届钢的判组织尺、细扒化晶桐粒、此改善倚韧性院，并晃显著沟提高俯强度圈。图8.7含碳量熟对热轧妙碳素钢盆性质的许影响σb—抗拉班强度纠；αk—冲击韧料性；HB嫩—硬度；δ—伸长纷率；φ—面积缩鞠减率8.3建筑松钢材眉的技笛术标培准及颠选用建筑时工程荡中需牺要消倡耗大庭量的敢钢材指，按预用于不同瘦的工馆程结霜构类卖型可分为陆：钢结构凑用钢，如各顿种型钢委、钢板研、钢管融等；钢筋混吩凝土工今程用钢，如各越种钢筋郊和钢丝隔。从材质上分主弹要有普通以碳素狗结构明钢和低合泻金结快构钢，也用森到优质吨碳素结伤构钢。普通辫碳素拢结构吵钢简称碳素垂结构绘钢，化学舌成分主潮要是铁劫，其次钞是碳，吧故也称铁-碳合强金。其含吃碳量为0.戴02凯%~构2.乎06璃%，此沾外尚爷含有圆少量催的硅变、锰卧和微倒量的膝硫、占磷等声元素织。现行国秩家标准《碳素结储构钢》(沈GB与7键00乒—1熄98福8)具体识规定仁了它勤的牌少号表煤示方凑法、杨技术受要求缝、试差验方皱法、席检验汉规则顿等。8.3塑.1普通苗碳素链结构注钢碳素牙结构娇钢的蝴牌号脆由代表屈田服点的香字母、虎屈服点衬数值、助质量等溪级符号豆、脱氧只程度符然号四部吵分按凝顺序打组成总。碳毙素结姓构钢戴可分明为Q19洪5、Q2介15、Q23竭5、Q25虑5和Q2赠75五个牌涂号。其毙他各符许号含义见表8.笛1。如Q23壁5—A、F，表示备屈服强顺度为23似5M迫Pa，质量杰等级为A级的沸朵腾钢。Q25锐5—B，表困示屈卷服强拾度为25内5M休Pa，质量牢等级为B级的洪镇静菠钢。卷8.淹3.库1.也1碳素要结构科钢的对牌号蜂表示蓄方法表8.泊1名称符号名称符号屈服强度质量等级沸腾钢QA、B、C、DF半镇静钢镇静钢特殊镇静钢BZTZ碳素结俗构钢的颗化学成缎分、拉观伸和冲然击韧性薄、弯曲判性能分埋别符合表8.2、表8.3、表8.4的要求孙。8.3摸.1.玻2技术壁要求表8.2碳素结日构钢的纪化学成蓄分(G佩B理70兄0—颂88附)表8.3碳素结扒构钢的这拉伸、还冲击性绍能(G滔B泳70胞0—邪88晋)表8.臭4碳素结剧构钢的冶冷弯试诱验(G茂B恶70纤0—惨88跌)牌号试样方向冷弯试验B=2a，180°

钢材厚度(直径)(mm)60＞60~100＞100~120弯心直径d

Q195

纵横00.5a——Q215纵横0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235纵横a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275—

—2a3a3a4a3.5a4.5a碳素结地构钢随势牌号的汽增大，排含碳量限增加，瞎其强度忍和硬度湿提高，晒塑性和树韧性降婚低，冷略弯性能手逐渐变优差。Q19厦5、Q2任15号钢强者度低沸，塑隐性和佳韧性正较好兰，易锯于冷差加工慌，常距用于呀轧制盈薄板在和盘档条，羽制造皮钢钉戏、铆始钉、址螺栓待及铁悄丝等武。Q21纽奉5号钢经张冷加工边后可代鼻替Q23省5号钢使旺用。8.恶3.纲1.攻3碳素耍结构薪钢的招选用Q23拖5号钢是建筑撇工程中么应用最底广泛的闭钢，属揭低碳钢狠，具有芹较高的激强度，态良好的岂塑性、颗韧性及浆可焊性剂，综合凯性能好哈，能满忆足一般上钢结构丧和钢筋朴混凝土偷用钢要见求，且扔成本较慕低，大辆量被用吉作轧制惩各种型炕钢、钢系板及钢抗筋。Q25个5、Q27楚5号钢强度较拥高，但软塑性、刊韧性较匠差，可是焊性也变差，不城易焊接饰和冷弯章加工，悔可用于晌轧制钢笑筋、作呆螺栓配告件等，贡但更多按用于机华械零件嘉和工具汉等。一般是筝在普通扛碳素钢铲的基础器上，添辽加少量伏的一种埋或几种旦合金元座素而成塘。常用粱的合金穗元素有叔硅、锰孩、钒、碑钛、铌糠、铬、磁镍及稀举土元素鼠。其目资的是为有了提高乐钢的屈竞服强度物、抗拉姜强度、斗耐磨性妈、耐蚀哭性及耐畅低温性亏能等。低合粪金高晋强度灵结构配钢综北合性摘能较成为理绿想，罚尤其猫在大片跨度驴、承纪受动愁荷载太和冲彼击荷收载的蕉结构旧中更宰适用跑，而江且与握使用援碳素胖钢相砍比，朴可节逗约钢仅材20帜%~丧30隆%，但数成本撑并不题很高郑。8.阁3.蛾2低合创金高佛强度籍结构斯钢低合潜金高购强度绞结构波钢共丈有5个牌号默。其牌客号的表绢示方法肯由屈服点融字母Q、屈恨服点姨数值伐、质械量等霉级三个部炎分组成佩，屈服帜点数值牛共分295寨MPa、345曾MPa、39院0M利Pa、420孕MPa、46倍0M风Pa五种，辛质量等妻级按照蜜硫、磷偿等杂质判含量由覆多到少谦分为A、B、C、D、E五级惜。如Q34广5A表示屈应服点为345湾MPa的A级钢。8.3皇.2.笋1低合金诸高强度咳结构钢白的牌号连表示方辩法低合绝金高携强度垒结构已钢的叠化学贩成分典应符耗合表8.5的要版求，老力学兼性能狮和冷曾弯性营能应序符合表8.6的要求稠。8.3拒.2.旁2低合金笨高强度亭结构钢竹的技术直要求表8.5低合金扰高强度蝇结构钢洒的化学腹成分表8.逐6低合金撒高强度僻结构钢翅的力学的性能和舟冷弯性环能Q2炕95号钢中含有暴少量的俩合金元店素，强执度不高丧，但有休良好的显塑性、滔冷弯性疤能、焊可接性能榜及耐蚀舞性能。溪主要用育于建筑弟工程中待对强度盖要求不脆高的一眉般工程窝结构。吼Q34逃5、Q39筝0号钢综合力绩学性能返好，焊处接性能肢、冷热鹊加工性柱能和耐胶蚀性能飞均好，C、D、E级钢具季有良好宇的低温聪韧性。粮主要用歇于工程齐中承受颗较高荷墨载的焊性接结构瓶。Q42杨0、Q46惕0号钢强度高咐，特别坏是在热训处理后算有较高杂的综合修力学性珠能。主轧要用于汽大型工埋程结构沫及荷载蒜大的轻槽型结构品。8.3则.2.度3低合凑金高姥强度们结构煌钢的卡性能鲁和应躺用钢筋聚按外助形分误为光圆咱钢筋和带肋现钢筋。光圆葡钢筋的碌横截面锈为圆形贵，且表昨面光滑钟。带肋垄钢筋表廊面上有热两条对胃称的纵谊肋和沿牵长度方侦向均匀辨分布的尘横肋。横肋的简纵横面辈呈月牙贱形且与须纵肋不活相交的秆钢筋称倍为月牙薄肋钢寨筋；横极肋的在纵横史面高去度相塔等且马与纵坛肋相判交的打钢筋滔称为等高澡肋钢绑筋。如图8.8。8.3刺.3钢筋混脏凝土用矿钢筋、系钢丝8.疼3.僚3.洪1钢筋节混凝盛土用恒热轧勉钢筋(1戒)热轧钢施筋的牌扭号表示温方法与似技术要议求根据《钢筋混孙凝土用胆热轧光辟圆钢筋》(俯GB法1零30耍13革—1雾99诉1)及《钢筋混借凝土用皇热轧带撑肋钢筋》(G摸B1渣499筒—19偏98)的规护定，尘热轧分直条孩光圆内钢筋烧的级领别为Ⅰ级，散强度伏等级灾代号条为R23裹5，其力赛学性能蛇和工艺顿性能应符合乐表8.7的要祸求。佳热轧舅带肋院钢筋崇的牌晚号由HR剖B和屈坊服点胁最小香值表示开。热馅轧带盾肋钢戒筋有HRB锦335、HRB携400、HR帝B5窗00三个牌艰号，其销力学性五能和工躁艺性能筋应符合表8.7的要烧求。(2按)热轧钢才筋的应毯用热轧胆光圆损钢筋贺的强辞度较具低，赌但塑射性及善焊接减性能棕很好却，便悔于各怖种冷段加工艳，因凝而广农泛用表作普嫂通钢往筋混初凝土免构件漏的受俘力筋桑及各淘种钢栽筋混唤凝土酒结构洽的构违造筋皆；HRB宿335和HRB谦400钢筋劈燕强度删较高趣，塑蓝性和崇焊接搏性能分也较考好，帆故广桨泛用萌作大荒、中愿型钢邪筋混项凝土咸结构洪的受萌力钢离筋；HR展B5废00钢筋强跌度高，塞但塑性童和焊接收性能较溜差，可兽用作预乳应力钢什筋。图8.8(a桌)等高泊肋钢比筋；(b欢)月牙逢肋钢孤筋表8.晶7热轧钢健筋的力给学性能州和工艺宫性能冷轧准带肋秆钢筋是低碳日钢热轧戴圆盘条探经冷轧湾后，在宿其表面膀带有沿沟长度方堡向均匀泄分布的它三面或狐两面横煤肋的钢申筋。(1)冷轧利带肋岔钢筋宅的牌碗号表紫示方犹法与劈燕技术沿要求根据《冷轧带秆肋钢筋》(G阳B1剂378已8—2蹲000涝)的规芒定，恳冷轧底带肋秃钢筋镜的牌谜号由CRB和抗拉话强度最侄小值表示嗓，有CR里B5著50、CRB论650、CRB遗800、CRB峰970、CR剧B1河17朴0五个芬牌号获，其策力学诸性能晕和工攀艺性郑能应符合术表8.8的规定妙。8.滤3.疤3.侵2冷轧带盲肋钢筋(2留)冷轧巷带肋惰钢筋类的应努用冷轧尾带肋也钢筋背既具好有冷格拉钢孟筋强能度高占的特助点，类同时放又具棍有很速强的舒握裹滤力，忠混凝浇土对寨冷轧盗带肋闷钢筋交的握涨裹力筋是同垫直径百冷拔该低碳求钢丝织的3~6倍，赠大大牌提高赔了构地件的雨整体渡强度仇和抗弹震能糖力。贵这种护钢筋拴适用转于中祖、小亿型预布应力栋混凝沈土结第构构戚件和剂普通秒钢筋轻混凝奋土结位构构涛件。表8.浸8冷轧带应肋钢筋召的力学秋性能和令工艺性寇能(G得B劲13会78琴8—炮20刃00所)牌号抗拉强度σb

(MPa)≥伸长率(%)≥弯曲试验180°反复弯曲次数松弛率(初始应力σcon=0.7σb)δ10δ1001000h(%)≤10h(%)≤CRB5505508.0————CRB650650—4.0—385CRB800800—4.0—385CRB970970—4.0—385CRB11701170—4.0—385热处理培钢筋是用嗓热轧酒的螺艘纹钢环筋经筋淬火宜和回蛋火的责调质讨热处油理而夕成的扔。按桌其螺仍纹外饭形分混为有纵肋和无纵肋两种状。其喜代号呀为RB卸15桃0。根据《预应耐力混炎凝土段用热默处理廊钢筋》(尸GB程4垂46惭3—讨19丸84材)的规定惭，热处宽理钢筋凳有40失Si2Mn、48沃Si2Mn和45恋Si2Cr三个衡牌号猜，其松性能如表8.纱9所示热处彻理钢前筋经礼过调越质热敲处理耐而成峡，具挺有强势度高组、韧唐性高如、粘行结力此高和恐塑性刺降低滋小等薄优点械，特揉别适棍用于竟预应卷力混染凝土河构件福。8.件3.屯3.悟3预应力市混凝土调用热处侧理钢筋表8.电9热处理垃钢筋的覆力学性堂质(GB护44篇63—箩198配4)公称直径(mm)牌号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%)不小于640Si2Mn1325147068.248Si2Mn1045Si2Cr(1)分类龙及代冲号根据《预应然力混延凝土凭用钢龄丝》(厨GB萝/T该5睡22测3—锅20姓02悟)的规矿定，糕预应饺力混亭凝土拿用钢假丝按拆加工柄状态肌分为冷拉榨钢丝(代号为WCD领)和消除应调力钢丝两类。顷消除应莫力钢丝到按松弛械性能又渔分为低松早弛级沉钢丝(代号害为WL揪R)和普通负松弛士级钢害丝(代号为WN士R)。冷拉钢封丝是用盘鼻条通过好拔丝模障或轧辊秧经冷加堵工而成别产品，顾以盘卷纽奉供货的宫钢丝。8.3络.3.姨4预应力幅混凝土液用钢丝低松弛谨钢丝是指钢籍丝在塑蒸性变形叹下(轴应社变)进行咏短时柱热处豪理而蜂得到茧的，普通松梨弛钢丝是指挠钢丝构通过洁矫直然工序仙后在信适当笨温度盲下进睁行短凶时热释处理窄而得只到的庄。资预应力卵混凝土肚用钢丝耀按外形阅分为光圆钢孩丝(代号为P)、螺旋肋躲钢丝(代号为H)和刻痕钢施丝(代号脚为I)三种。赌螺旋肋债钢丝表调面沿着知长度方仰向上有瞎规则间壁隔的肋陈条，如图8